薄煤层螺旋钻无人工作面开采技术 1

1、 薄煤层螺旋钻无人工作面开采是指回采工作面上无人，而是由螺旋钻机完 成工作面内的破煤、装煤、运煤等各工序。工作面的设备检修也都在工作面以 外的巷道中进行。所以使工人摆脱了较危险的工作地点，把工人从繁重的体力 劳动和较恶劣的工作环境中解放出来，而且占用人员少，劳动生产率高，并能 使一些用普通方法无法开采或很难开采的煤层得到开发，提高了资源利用程度。 螺旋钻机采煤是无人采煤工作面中正在研究的一种方法。该采煤法广泛地 应用来开采围岩不稳定的薄煤层和极薄煤层，并且还可以用来开采边角煤、三 下压煤和回收各种煤柱。近年来，国外许多产煤国家由于特厚煤层的开采储量 日益枯竭，对螺旋钻机采煤产生了极大兴趣，把它

2、看作是开采缓倾斜薄煤层最 有发展前景的一种采煤方法。 1 螺旋钻采煤机设备配套及性能 3 结论 2 薄煤层螺旋钻无人工作面开采工艺 1 螺旋钻采煤机设备配套及性能 BSHK-2DM型螺旋钻采煤机组可用于有瓦斯和煤尘爆炸危险的薄煤层开采，也 可用于不规则煤层和保安煤柱的开采，但不允许在有突出危险的和自燃的煤层中 应用。其采宽1.9052.105m，单孔长度可达85m。工作巷道净断面不小于11.2m2， 倾斜3，卧底不小于0.6m，上、下山方向倾角015，切割阻力不大于 350kN/m。 1.1 螺旋钻采煤机构造及性能螺旋钻采煤机构造及性能 （1）螺旋钻采煤机 BSHK-2DM型螺旋钻采煤机如图1

3、-1所示。中间部分为两个液压推进部件，两 侧为两个定向部件，这些部件用销钉和螺栓连接在一起。在液压推进部件上装有 传动部件的液压缸，液压缸沿着导向框架装在框架上的螺旋钻机传动部一起移动。 定中心部件安装在液压推进部件上，保证螺旋钻杆及与后来加接的螺旋钻杆 的对中找正。锁紧位置预先固定了加接钻杆时的离合器。滑板是机器的支座。每 一块滑板用连杆系统和定向部件的壳体与两个液压千斤顶连结，保证螺旋钻采煤 机沿煤层倾角工作。 1通风管2锁紧装置3减速器4液压偶合器 5电动机6传动部件 7滑撬8支撑液压缸9底托架 10液压推进部件11传动框架12螺旋采煤机 图1-1 螺旋钻采煤机 （2）螺旋钻具的结构 如

4、图1-2所示，螺旋钻具是由一些很容易组装、拆卸的构件组成。钻具为两组螺旋钻杆 和通风管，它们都与螺旋钻机连接。在前右螺旋钻杆和通风管之间由减速箱连接，在前左螺 旋钻杆上安装了用刚性拉杆与减速箱壳体相连的轴承座。减速箱和轴承座装在下有弹簧的滑 板上。在右螺旋钻杆的轴承座前面及减速箱的输出轴上装有3个钻头，钻头轴之间的距离为 640mm，两则的钻头按煤层厚度采用不同直径的625mm,725mm或825mm钻头。在各种条件 下，中间钻头的直径是625mm，但它的结构随着两侧钻头的直径不同而改变。所有钻头有通 用的连结节，以保证把钻头安装在减速箱和轴承座的输出轴上。 1螺旋钻杆 2中间通风管 3轴承座

5、 4钻头 5变速器 6控制箱 图1-2 螺旋钻具 （3）机组电力装置 螺旋钻采煤机BSHK-2DM电力设备是由机组的电气系统和煤矿供电系统所组 成。电气系统包含的设备和部件，见表1-1 表1-1 电气系统设备及型号 序 号 电力设备 名 称型 号 1电机CYB-350AB 2启动组合机组矿用接线开关1 3警告信号设备PC-KY 4甲烷分井仪AT3-1 5控制台AYBSHK-2DM01.00 6控制室KY-91-PB，KY-93-PB 7联络设备PCK 8控制仪表AYBSHK-2DM.00.000 9照明LCPO1-20 10接线盒ZY12.42.33.0021 11执行机构电机2iDKOFB2

6、50LBZ 12降尘水泵系统电机BPP160SZY5 13风机电机ANY-132M2 14水泵站电机BPP150SZ 15单轨吊车电机CoCBEPLA CiPIgM 动力电源，CYB-350AB及控制设备AYSHK-2BM的电源为交流电660V，照 明及单轨吊的电源为127V，电器PC-KY及AT3-1为交流电36V。 机组电气系统的电源由功率不小于400kVA的移动变电站所提供。电器设备 的总功率为约390kW，电压为660V，其中螺旋钻采煤机为235kW。 1.2 机组的组成及其工作原理机组的组成及其工作原理 （1）机组的组成 机组的组成如图1-3所示。机组由主机、钻机动力设备、通风系统、

7、钻头和 移动装置等组成。 1-螺旋钻机组主机 2-托架 3-操作台 4-液压系统 5-动力装置 6-CYB-350AB型控制站 7-矿用接线开关APSH.1型 8-采用BMCH-4.5型风机的通风系统 9-钻具 图1-3 百狮-2型螺旋钻采煤机组总装图 （2）机组工作原理 螺旋钻采煤机组传递扭矩给和钻压给螺旋钻从钻采条带里的煤，并完成采煤过程的送 钻和退钻。螺旋钻由一个左旋一个右旋的两节钻杆和它们中间的风管组成。 钻头的切割 部分是一个执行机构，它由三个钻头组成。右边的螺旋钻通过减速箱传扭矩给中间钻头。 通过风管不间断地向工作面通风，并用ATZ-1型瓦斯测量器测控。通过放置在风管边 的软管向执

8、行机构的喷头供水，保证降尘。两个单独的传动装置带动钻杆组的旋转。 为锁紧和开启钻杆的连接，需把钻杆连接用的带有凸轮的离合器调整到适合的位置， 用有旋转传动装备的翻转机构来对正。 用固定在传动架上的传动装置沿导向进行液压推进，机器下面有滑板，滑板支撑在底 板上，利用滑板在巷道内移动机器。定向机构保证机器的传动架沿着煤层角度进行钻进。 机组对巷道壁的水平侧推力是用液压缸来保证的。机组机械化接钻杆和撤钻杆时有一 个找正装置，用它来找准定位需要钻进或撤出的在钻采带里的钻杆和风管。钻杆的安装、 拆卸、储存是由安装在巷道的单轨吊完成的。 机组采下来的煤是靠放置在巷道里的刮板运输机运出的。螺旋钻机、操作台和

9、动力装 置连接在一起，沿巷道一起移动。 2 薄煤层螺旋钻无人工作面开采工艺 2.1 后退式螺旋钻机开采工艺 2.1.1 采区巷道布置及支护采区巷道布置及支护 （1）巷道布置 按照螺旋钻机采煤的要求，一采区2层煤螺旋钻机采煤试验块段采取双翼布置，即分别 在一采上山东西两翼布置两个工作面，东翼走向长为320m，西翼走向长为127m，东西两块 段倾斜长度均为150m。 运输上山布置在采区走向中部，沿2层煤顶板掘进，位于一采辅助上山东侧35m处， 该上山全长400m，掘180m与一采总回风巷相贯通。 辅助上山布置在一采石门西侧，沿2层煤顶板掘进，该上山全长450m，倾角1721。 在1204西面进风巷

10、以南65m沿水平方向布置运输顺槽，上下山方向均钻采60m。1203西 顺槽长127m。试验块段1203西下巷和1203西切眼、1203西上巷形成负压通风。 1203西钻 采工作面是该采区第一个钻采工作面，其下部1204西面已经采完，上部1202西工作面正在 准备。 1203西钻采面巷道布置及巷道素描分别见图2-1和图2-2。 图2-1 1203西钻采面巷道布置 图2-2 1203钻采巷部面图 （2）试采面运输顺槽支护 1203西钻采工作面运输顺槽沿煤层顶板起底布置，采用锚网喷及锚索联合支护。锚 杆为181800mm全螺纹钢等强树脂锚杆，间排距为900900mm；锚索间排距为 30006000m

11、m。巷道采用拱形断面，净宽4.5m，净高3.5m，断面积13.57m2。主要用于 该钻采面的进风、运煤和运料。 2.1.2 2.1.2 回采工艺回采工艺 1203西工作面采用乌克兰BSHK-2DM新型螺旋钻机，它是三轴螺旋式薄煤层钻机。 该机采用后退式独头钻采的工艺方式，上山方向钻采完后再退回调头钻采下山方向煤层。 （1）钻采煤柱尺寸的确定 a煤柱受力分析 螺旋钻采煤机开采过程中，留设煤柱的作用是在使钻采过程中保护煤炭顺利运出和 支撑顶板。煤柱的尺寸决定着整个开采过程中煤柱的支撑状况及矿山压力显现。煤柱尺 寸过小可能导致顶板来压、垮落，甚至造成冲击地压，威胁安全生产。但是过大的煤柱 会造成资源

12、浪费，还可能引起回采过程中顶板管理的困难。因此，不同用途的煤柱各有 其合理的尺寸。 煤柱的合理尺寸，首先要考虑煤柱将要承受的载荷，可以用简单的附属面积 理论确定煤柱平均应力。该理论认为：一个煤柱所支撑的范围，既包括位于其上方 的岩层，又包括其周边巷道（钻空区）跨度一半的顶板岩层（见图2-3）。 图2-3 煤柱的支撑面积 因此，其总载荷为： （2-1） 煤柱的平均应力为： （2-2） 式中 Bz、Lz分别为煤柱的宽度和长度； Bh巷道（钻空区）的宽度； 上覆岩层的平均容重； H平均采深。 () zhz pBB LH () (1) zhzh P zzz BB LHB H B LB 理论研究证明，煤

13、柱的应力分布是不均匀的。煤柱边缘部分，当其刚刚暴露时， 存在很大的集中应力。该集中应力常常等于原始应力的24倍甚至更大，因而常超 过该处煤层强度而导致煤柱边缘部分破坏，随之集中应力向煤柱内部转移，如图2-4 所示。 图2-4 煤柱内垂直应力分布 显然在此集中应力作用下部分煤柱将产生屈服。 b合理的煤柱尺寸 根据逐步破坏理论确定煤柱的宽度，该宽度可由下式计算： （2-3） 式中 hz煤柱高度，取0.65m； 关系曲线的斜率， ， 为内摩擦角； K支承压力峰值处的应力集中系数，34； 上覆岩层的平均容重，取2.5kN/m2； H为平均采深，取582.7m； 煤柱的抗压强度，取18kN/m2。 把以

14、上数据代入（2-3）式，得煤柱的宽度为： a=0.86m 由于煤层厚度在0.651.3m之间变化，综合确定煤柱尺寸为0.51.0m。 （2）落煤方法 即一台螺旋钻机布置在运输顺槽中，先向上山方向煤层打钻，钻头割煤，螺旋钻杆掏煤， 煤直接落在运输顺槽的刮板输送机上运出，该机一次采宽2.105m，三轴联动钻杆1.54m/节， 钻机本身自动接杆，达到设计采深或遇断层时退出钻杆，螺旋钻机整体前移，预留0.5m 1.0m煤柱后开始下一循环钻采。 螺旋钻机采煤示意图如图2-5所示。 ln (1) z b hK H a tgtg tg (1 sin )/(1 sin )tg b a螺旋钻机钻头割煤 b钻机在

15、顺槽中工作状态 1单轨吊 2螺旋钻采煤机 3固定油缸 4调斜油缸 5刮板运输机 6节式钻杆 图2-5 螺旋钻机采煤示意图 螺旋钻机设计钻采长度，上山方向85m，下山方向45m。螺旋钻机以 1.0m/min的速度向上（下）钻煤，直至达到设计深度。 （3）螺旋钻机工作面生产能力 工作面平均每班钻进20m，每天钻进深度60m，回采高度1.2m，钻孔宽度 2.105m，钻煤时回采率0.95，则： 日产量Qd=602.1051.21.360.95=195（t） 月产量Qm=19530=5850（t） 2.1.3 2.1.3 工作面设备配置工作面设备配置 运输顺槽内布置50的防尘管路，每50m设一个三通阀

16、门以便冲刷巷道， 杜绝煤尘积聚。运煤巷道各转载点相应安设喷雾装置，实施转载自动喷雾。 在靠工作面侧设置 SGW-40T型和SGW-30B型刮板输送机和SPJ-800型胶带输 送机，并在靠近钻采工作面的地点设有移动开关站一处、螺旋钻机液压系统 泵站等设备（见图2-6）。 图2-6 1203西钻采工作面设备布置示意图 2.2 前进式螺旋钻机开采工艺 2.2.1 采区巷道布置采区巷道布置 七层煤一采区采用单翼布置，在采区西部布置采区轨道上山及采区运输机 上山，两条上山均沿7层煤掘进，其中，运输机上山作为运煤及进风用，轨道 上山作为辅助运输及回风用。采区下部通过-350水平七层煤大巷与-350m井底

17、车场联系，作为采区总进风巷。采区轨道上山上部连接-150m主石门，作为采 区总回风巷。 在采区上部车场以下40m处掘进1701运输巷，采用单巷布置，巷道净宽 4400mm，净高3500mm，断面13.3m2，采用锚网梁支护，所用锚杆为螺纹钢等 强锚杆，直径18mm，长度2200mm，间排距为800800mm。 采区运输上山上部设七层煤一采区煤仓，煤仓为立式，直径6.0m，净高 7.6m，容量190t。煤仓采用锚网喷支护，喷浆厚度200mm。煤仓下部接-150m 主石门，采用石门装车方式。 七层煤一采区巷道布置如图2-7和图2-8所示。 图2-7 采区巷道布置平面图 图2-8 采区巷道布置剖面图

18、 2.2.2 回采工艺回采工艺 1701钻采工作面亦采用乌克兰BSHK-2DM型螺旋钻机，该机采用前进式 独头钻采的工艺方式，沿煤层下山方向进行钻采，下山方向钻采完后再退回 调头钻采上山方向煤层，如图2-9所示。 图2-9 采煤方法示意图 螺旋钻机布置在运输顺槽中，向下山方向煤层打钻，钻头割煤，螺旋钻杆掏煤，掏 出的煤直接落到运输顺槽的刮板输送机上运出。该机一次采宽1905mm，钻机自动接杆， 达到设计采深或遇到断层时退出钻杆，螺旋钻机整体前移，预留0.5m煤柱后开始下一循 环钻采。螺旋钻机采煤如图2-10所示。 图2-10 螺旋钻机采煤示意图 钻采工作面每班钻进30m，每天钻进深度90m，钻孔高度0.65m，钻孔宽度1.905m，钻 煤时回收率0.95，则： 日产量Qd=901.9050.651.310.95=138.7（t） 月产量Qm=138.730=4160.7（t） 该采煤法实现了前进式开采，即巷道在前边掘进螺旋钻机紧随其后钻采下山方向的煤 层。 3 结 论 通过在潘西煤矿和南冶煤矿工业性试验及对螺旋钻采